פיזיקאים צופים לראשונה בגרוויטציה של איינשטיין בעולם הקוונטי

קבוצה בינלאומית בהובלת פיזיקאים מאוניברסיטת בן-גוריון אישרה לראשונה בניסוי את השפעת הכבידה על עצם קוונטי נופל, בהתאם לתאוריה של איינשטיין.

המדענים מדדו לראשונה באופן ישיר את הפאזה הקוונטית של עצם בנפילה חופשית, ואישרו כי עקרונות תורת היחסות הכללית של איינשטיין נותרים תקפים גם בעולם המיקרוסקופי. במשך 100 שנה התקיימו מכניקת הקוונטים ותורת הכבידה בנפרד, ואיחוד החוקים שלהן נותר אחד האתגרים המרכזיים של המדע. מקום מרכזי בתאוריה של איינשטיין תופס עקרון השקילות, שלפיו עבור צופה בנפילה חופשית הכבידה נעלמת מקומית. עם זאת, לא היה ברור כיצד לבחון כלל זה עבור חלקיקים קוונטיים, המסוגלים להימצא בסופרפוזיציה ולנוע בו-זמנית בכמה מסלולים.

כדי לפתור את המשימה הזו יצרו החוקרים אינטרפרומטר גלילאו מיוחד. במהלך הניסוי קוררו על שבב ייעודי ענני אטומים של רובידיום כמעט עד לאפס המוחלט. בעזרת פולסים של גלי מיקרו ושדות מגנטיים פוצל הגל הקוונטי של האטום לשני חלקים. חלק אחד הוחזק במקומו, תוך קיזוז מלא של כוח הכובד, ואילו האחר נשלח לנפילה חופשית. בסוף המסלול אוחדו הגלים מחדש כדי למדוד את הפרש הפאזות הקוונטיות שנוצר. העבודה פורסמה בכתב העת Science Advances.

התוצאה תאמה במדויק את התחזיות התאורטיות של איינשטיין. המחבר הראשי של העבודה, פרופסור רון פולמן מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב, הדגיש את חשיבות התגלית: "זו עבודה ייחודית במובן זה שהיא משלבת ניסוי מורכב עם פרשנות תאורטית מרחיקת לכת לאחת השאלות הבסיסיות ביותר בפיזיקה: כיצד ניתן לאחד את הכבידה ואת תורת הקוונטים להבנה אחת של היקום? שני עמודי התווך הללו של הפיזיקה המודרנית חמקו עד כה מכל הניסיונות ליצור תאוריה מאוחדת, אך הניסוי המורכב הזה מספק רמזים חדשים לאופן שבו אפשר יהיה להשיג איחוד כזה".

המדענים מדגישים כי ניסוי זה אינו יוצר "תאוריה של הכול" מאוחדת ואינו מוכיח את הטבע הקוונטי של הכבידה עצמה, אך הוא סולל גשר בין שני תחומי הפיזיקה. בהמשך מתכננים המחברים להשתמש בשיטה זו לבחינת תכונות קוונטיות בעצמים מסיביים יותר, כגון יהלומי ננו.

בקבוצת המחברים הבינלאומית של העבודה השתתף חתן פרס נובל בפיזיקה, פרופסור סר רוג'ר פנרוז.